Elimination of pesticides onto granular activated carbon bed in presence of natural organic matter : Development of a protocol associating experiments and numerical calculations in order to simulate competitive equilibria and kinetics of adsorption.
Elimination de pesticides sur lit de charbon actif en grain en présence de matière organique naturelle : Elaboration d'un protocole couplant expériences et calculs numériques afin de simuler les équilibres et les cinétiques compétitifs d'adsorption.
Résumé
Faced with the persistent contamination of natural raw waters by pesticides, granular activated carbon (GAC) is an efficient treatment, more and more used in drinking water plants. Its performances depend on the equilibria and kinetics of adsorption, on the hydrodynamics of the reactor and on the competition with the natural organic matter contained in raw waters. Within this framework, the aim of this research was double : first to elaborate a protocol in order to acquire equilibrium and kinetic parameters for competitive adsorption and secondly to develop a simulation software for the adsorption onto GAC beds. The theoretical part is based on : (1) the homogeneous surface diffusion model (HSDM) which takes into account both the external mass transfer coefficient (kf) and the superficial diffusion coefficient (Ds) for the adsorption kinetics, (2) on the ideal adsorbed solution theory (IAST) for the competition and (3) on the definition of an equivalent background compound (EBC) for the natural organic matter. The experimental work consists, on one hand, to achieve isotherms with ultra pure water, natural water and natural water diluted with ultra pure water in order to obtain equilibrium parameters. On the other hand, adsorption kinetics are carried out in a differential column batch reactor (DCBR) in order to determine superficial diffusion coefficients. Numerical simulation programs were conceived, written and validated with results found in the literature. Then, they were involved in the global simulation protocol for real GAC filters. For one natural water, this protocol was performed with three pesticides and two granular activated carbons.
Face à la pollution persistante des eaux naturelles par les pesticides, le charbon actif en grain (CAG) représente une réelle possibilité de traitement, de plus en plus souvent mis en œuvre en potabilisation. L'efficacité de ce traitement dépend des équilibres et des cinétiques d'adsorption, de l'hydrodynamique du réacteur et de la compétition avec la matière organique naturelle contenue dans les eaux brutes destinées à la potabilisation. Dans ce cadre, l'objectif de cette recherche est double : élaborer un protocole d'acquisition des paramètres d'équilibre et de cinétique d'adsorption compétitive et concevoir un logiciel de simulation de l'adsorption sur lit de CAG. L'approche théorique s'appuie sur : (1) le modèle de la diffusion de surface homogène (HSDM) qui prend en compte le coefficient de transfert de masse externe (kf) et le coefficient de diffusion superficielle (Ds) pour modéliser la cinétique d'adsorption, (2) la théorie de la solution adsorbée idéale (IAST) pour modéliser la compétition et (3) l'introduction d'un composé fictif (EBC) qui représente la matière organique naturelle. Le travail expérimental consiste d'une part à réaliser des isothermes d'adsorption sur l'eau ultra pure, l'eau réelle et l'eau réelle diluée par de l'eau ultra pure afin d'obtenir les paramètres d'équilibre. D'autre part, des cinétiques d'adsorption, effectuées sur colonne différentielle d'adsorption (DCBR), permettent d'acquérir les coefficients de diffusion superficielle. Les programmes de simulation ont été conçus, écrits et validés sur plusieurs résultats issus de la littérature. Ces programmes ont ensuite été impliqués dans le protocole global de simulation du filtre de charbon actif en grain réel. Pour une eau naturelle, ce protocole a été mis en œuvre sur trois pesticides et deux charbons actifs en grain.